一种基于环境嘈杂度和STA距离的WiFi速率控制方法

摘要

本发明提供了一种基于环境嘈杂度和STA距离的WiFi速率控制方法，该方法包括：在WIFI系统中随机部署多个感测节点，协作完成WIFI网络的感测和上传；根据感测结果，采用粒子群算法进行信道优化。本发明提出了一种基于环境嘈杂度和STA距离的WiFi速率控制方法，更加实时和准确地获得无线电磁环境的状况，从而对网络传输信道进行优化，避免串扰、提升系统性能。

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络，特别涉及一种基于环境嘈杂度和STA距离的WiFi速率控制方法。

背景技术

WIFI技术获得飞速发展，成为全球最的和通用的网络接入技术，基本上所有的用户移动设备，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑均具备WIFI接入能力。但与此同时，WIFI系统的串扰问题也逐步成为影响实际部署的最问题，包括微波、蓝牙、雷达等串扰和系统间串扰。为解决WIFI系统的串扰问题，现有技术采取的方案主要是拓展新的频带资源，降低工作信道重复的概率。但是随着更多用户选择WIFI上网，而且，802.11ac为达到单用户峰值的带宽需求成倍增长，频带拓展始终无法满足网络发展的需求。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种基于环境嘈杂度和STA距离的WiFi速率控制方法，包括：

在WIFI系统中随机部署多个感测节点，协作完成WIFI网络的感测、采集和处理；

根据感测结果，采用粒子群算法进行信道优化。

优选地，所述WIFI系统中，接入节点的工作频带和发射功率均由AC路由器进行控制；用户端通过空口与接入节点进行通信，获取信令和数据服务；所述感测节点对WIFI的工作频带进行感测，并将感测结果上报附近的汇聚节点；汇聚节点根据感测结果选择最佳的工作频带进行通信，接入节点和用户端获得的频带感测结果在AC路由器进行集成。

优选地，所述感测节点采用以下感测算法：

对于单个感测节点，频带感测表示为一个检测事件：

其中x(t)表示感测节点接收到的信号，s(t)为感测对象的发送信号，n(t)为噪声，h代表信道增益，事件H₀代表频带空闲，事件H₁代表频带忙；

频带捕获概率P_d由信道响应h决定：

其中λ为能量检测的判决门限，Qm函数定义为：

信道响应h由于衰减而不断变化，此时捕获概率P_d表示为：

其中r为衰减信号信噪比，f_r(x)为衰减条件下反映信噪比变化的概率密度函数：

若各节点的频带感测结果独立同分布，则n个节点中，如果有超过k个节点判决为H₁，则确定频带被占用；

联合频带感测的捕获概率Q_d表示为：

Q_d＝1-(1-P_d)ⁿ

n表示参与频带感测的节点数目。

优选地，对于采样信号，使用正交窗口对信号进行分割，计算各部分周期图，最后进行迭加，获得频带估计。

优选地，所述感测节点与汇聚节点之间的通信流程为：

Step1：感测节点默认处于休眠状态，以T_w为周期唤醒，检测是否存在搜索请求；

Step2：汇聚节点事件或周期触发搜索请求，周期为T₀；

Step3：若感测节点检测到搜索请求，且在给定周期内未启动频带感测，则立即启动工作频带感测；

Step4：频带感测结束后，感测节点以T_r为周期启动感测结果上报，上报3次后，重新进入休眠状态，并缓存频带感测结果；

Step5：搜索请求发出时间达到预设间隔T₁之后，汇聚节点启动感测结果采集；

Step6：将采集到的所有感测报告汇总上报到AC路由器。

优选地，所述感测节点的感测请求延续足够长的时间，以保证汇聚节点附近的感测节点均监听到搜索请求；而感测信息的反馈足够短，以避免节点之间的碰撞。

优选地，所述根据感测结果，采用粒子群算法进行信道优化，进一步包括：

经过感测结果汇聚后，AC路由器获得网络的串扰情况；通过信道选择对网络进行优化，在每一个接入节点只能选择一个信道的约束条件的条件下，采用粒子群算法计算使得整个网络上下行总体串扰水平最低的解。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

本发明提出了一种基于环境嘈杂度和STA距离的WiFi速率控制方法，更加实时和准确地获得无线电磁环境的状况，从而对网络传输信道进行优化，避免串扰、提升系统性能。

附图说明

图1是根据本发明实施例的基于环境嘈杂度和STA距离的WiFi速率控制方法的流程图。

具体实施方式

下文与图示本发明原理的附图一起提供对本发明一个或者多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。

本发明的一方面提供了一种基于环境嘈杂度和STA距离的WiFi速率控制方法。图1是根据本发明实施例的基于环境嘈杂度和STA距离的WiFi速率控制方法流程图。

本发明通过大量具有感测能力的随机节点进行协作，完成对WIFI系统的感测、采集和处理。在本发明的WIFI系统中，接入节点的工作频带和发射功率均由AC路由器进行控制；用户端通过空口与接入节点进行通信，获取信令和数据服务。在WIFI系统覆盖的范围内，随机分布着若干感测节点，对WIFI的工作频带进行感测，并将感测结果上报附近的汇聚节点；汇聚节点根据感测结果选择最佳的工作频带进行通信。接入节点和用户端获得的频带感测结果在AC路由器进行集成。

本发明中的感测节点采用以下感测算法。

对于单个感测节点，频带感测表示为一个检测事件：

其中x(t)表示感测节点接收到的信号，s(t)为感测对象的发送信号，n(t)为噪声，h代表信道增益。事件H₀代表频带空闲，事件H₁代表频带忙。

频带捕获概率P_d由信道响应h决定：

其中λ为能量检测的判决门限，Qm函数定义为：

信道响应h由于衰减而不断变化，此时捕获概率P_d表示为

其中r为衰减信号信噪比，f_r(x)为衰减条件下反映信噪比变化的概率密度函数。

若各节点的频带感测结果独立同分布，则n个节点中，如果有超过k个节点判决为H₁，则确定频带被占用。联合频带感测的捕获概率Q_d表示为：

Q_d＝1-(1-P_d)ⁿ

n表示参与频带感测的节点数目。

对于采样信号，本发明使用正交窗口对信号进行分割，计算各部分周期图，最后进行迭加，获得频带估计。为了使估计值的偏差和均方误差均比较小。定义以下特征序列：

其中N是特征向量的长度，[-W,W]为能量所集中的频带。

在频带内获得采样数据x(n),n＝0,1,...N-1；在确定N和W的取值后，计算特征v_k，排序为前2N×W的特征值准备后续计算，然后计算x(n)的特征系数x_k(f)：

对K个特征系数进行平均，得到完整的谱估计：

感测节点与汇聚节点之间的通信方案兼顾感测节点的省电需求和汇聚节点的协同效应需求。具体通信流程为：

Step1：感测节点默认处于休眠状态，以Tw为周期唤醒，检测是否存在搜索请求；

Step2：汇聚节点事件或周期触发搜索请求，周期为T₀；

Step3：若感测节点检测到搜索请求，且在给定周期内未启动频带感测，则立即启动工作频带感测；

Step4：频带感测结束后，感测节点以T_r为周期启动感测结果上报，上报3次后，重新进入休眠状态，并缓存频带感测结果；

Step5：搜索请求发出时间达到预设间隔T₁之后，汇聚节点启动感测结果采集；

Step6：将采集到的所有感测报告汇总上报到AC路由器。

感测节点的感测请求延续足够长的时间以保证汇聚节点附近的感测节点均监听到搜索请求；而感测信息的反馈足够短，以避免节点之间的碰撞。

经过感测结果汇聚后，AC路由器获得网络的串扰情况。通过信道选择对网络进行优化，以获得最佳的网络性能。

最佳信道选择算法

定义i＝1，2，.....,N；N为网络中接入节点的个数；

j＝1,2,......，M；M为可用信道的个数；

k＝0，1，2，......，K；K为单个接入节点下用户端的个数，k＝0时为接入节点；

l＝1，2，……，L；L为单个汇聚节点下的感测节点个数；

当感测节点将可用信道的感测结果RS上报到汇聚节点；

RS_k，l＝{RS₁，RS₂，……RS_M}

定义N*M维矩阵D表示下行串扰水平，矩阵中的元素d_ij为第i个接入节点的覆盖范围内，第j条信道的下行串扰水平，表示为：

用接入节点采集到的感测报告用于计算上行串扰水平，定义N*M维矩阵U表示上行串扰水平，u_ij为第i个接入节点的覆盖范围内，第j条信道的上行串扰水平，表示为：

建立N*M维接入节点信道分配矩阵X，X中的元素x_ip取值范围为0和1，1表示第i个接入节点选择了第p条信道，0表示未选择。则信道选择优化问题转化为在每一个接入节点只能选择一个信道的约束条件的条件下，使得整个网络上下行总体串扰水平Z最低的模型：

α表示上下行均衡权值，如系统是上行优先，则α>0.5，若系统为下行优先则α<0.5。采用粒子群算法来计算最优解或次优解。粒子群产生新解的方法为随机互换N*M矩阵中的两列，扰动次数越多，解的变异越大就越有可能求得最优解。Z值最小时，即得到最优信道选择组合。

综上所述，本发明提出了一种基于环境嘈杂度和STA距离的WiFi速率控制方法，更加实时和准确地获得无线电磁环境的状况，从而对网络传输信道进行优化，避免串扰、提升系统性能。

显然，本领域的技术人员应该理解，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算系统来实现，它们可以集中在单个的计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成的网络上，可选地，它们可以用计算系统可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储系统中由计算系统来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。